基于有限單元柔度法的鋼筋混凝土框架三維非彈性地震反應(yīng)分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)三維非彈性地震反應(yīng)規(guī)律問題一直是結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域中的重要課題之一。由于結(jié)構(gòu)試驗受試驗規(guī)模和數(shù)量的限制，對于整體原型結(jié)構(gòu)來說，目前主要依靠計算機模擬分析對其進行研究，而試驗方法主要用于構(gòu)件和小比例尺結(jié)構(gòu)模型的研究。對于鋼筋混凝土框架，目前的研究成果還不能完全滿足實際的需要，仍遺留大量問題亟待解決。本文針對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)三維非彈性地震反應(yīng)動力分析中存在的幾個關(guān)鍵問題進行了研究。這些問題包括如何確保參數(shù)輸入的客觀性要求，鋼筋混凝土柱在

2、復(fù)雜加載路徑下的軸力與雙向彎矩間的耦合問題，以及包括高軸壓比、變軸力的影響、鋼筋混凝土柱軟化、非彈性屈曲等一系列復(fù)雜問題。圍繞上述目標，本文主要完成了以下工作： ①分別基于桿系結(jié)構(gòu)非線性有限單元剛度法和柔度法的基本理論，采用纖維模型模擬多軸加載條件下桿件截面力與變形之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，建立了適用于材料與幾何雙重非線性分析的空間梁柱單元，以此為基礎(chǔ)，編制了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)三維非彈性地震反應(yīng)動力分析程序。程序中的每一桿件單元的不

3、同纖維可具有不同的材料特性，便于處理諸如鋼筋混凝土構(gòu)件這類由不同材料構(gòu)成的桿件單元問題；使用者只需輸入纖維材料的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，符合參數(shù)輸入客觀性和易操作性的要求；程序除能輸出通常的結(jié)構(gòu)、單元和截面層次的大量信息外，還能輸出指定纖維的應(yīng)力或應(yīng)變歷程這樣的細部信息，為研究人員進行結(jié)構(gòu)抗震性能的研究提供了更多的便利。 ②對基于有限單元剛度法和柔度法的非線性空間梁柱單元進行了系統(tǒng)比較研究工作。研究表明：由于通常使用的基于剛度法的兩節(jié)

4、點梁柱單元是基于橫向位移三次埃爾米特多項式插值、軸向位移拉格朗日線性插值假定，只能滿足變形協(xié)調(diào)條件和結(jié)點處的平衡條件，很難描述鋼筋混凝土構(gòu)件在強非線性階段實際的變形狀態(tài)和準確滿足單元內(nèi)部的平衡條件，因此難以有效地模擬諸如鋼筋混凝土柱在復(fù)雜加載路徑下的軸力與雙向彎矩間的耦合現(xiàn)象以及軟化、非彈性屈曲等復(fù)雜受力現(xiàn)象。盡管這一問題理論上可通過加密網(wǎng)格，即將一個單元再細分為若干個單元的方式加以解決，但這將導(dǎo)致計算分析工作量成級數(shù)倍的增長，同時也可

5、能在較大型結(jié)構(gòu)的計算中引發(fā)數(shù)值上的不穩(wěn)定性和收斂性問題。而柔度法則是以單元截面力場的假定作為單元建立的出發(fā)點，對于軸向和彎曲變形為主的梁柱單元，該假定通常是能夠得到準確滿足的，并不受單元所處非線性狀態(tài)的影響，即使對于單元進入軟化階段后的強非線性問題，單元內(nèi)部的平衡條件仍能得到嚴格滿足，因而與剛度法相比，分析效率與效果都有大幅度的提高。 ③將有限單元柔度法由僅在材料非線性問題中的應(yīng)用拓展至材料與幾何雙重非線性問題中的應(yīng)用。本文基于

6、Euler-Bernoulli梁柱理論的基本假定，結(jié)合有限單元柔度法的基本思想提出了能考慮材料與幾何雙重非線性的一般非線性梁柱單元分析方法。通過對若干經(jīng)典問題和結(jié)構(gòu)試驗的數(shù)值模擬，驗證了本文所提出方法的正確性。 ④采用本文編制的結(jié)構(gòu)非線性分析程序，對包括鋼筋混凝土雙向壓彎構(gòu)件低周反復(fù)加載試驗和6層鋼筋混凝土空間框架振動臺試驗在內(nèi)的若干結(jié)構(gòu)試驗實例進行了數(shù)值模擬分析，驗證了程序的有效性與可靠性。程序成功地模擬了鋼筋混凝土柱在復(fù)雜加

7、載路徑下的軸力與雙向彎矩間的耦合現(xiàn)象，以及包括高軸壓比、變軸力的影響、鋼筋混凝土柱軟化、非彈性屈曲等一系列復(fù)雜受力現(xiàn)象，有效地解決了這些采用以往的單元分析模型難以或不能處理的復(fù)雜受力問題；對地震振動臺試驗的模擬分析表明，程序?qū)χ械纫韵聯(lián)p傷的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)具有很好的模擬能力，對于結(jié)構(gòu)處于嚴重損傷的階段，模擬所得的結(jié)構(gòu)位移和損傷程度將會小于結(jié)構(gòu)的實際位移和損傷程度，這可能是由于目前所編制的程序中沒有考慮鋼筋的粘結(jié)滑移以及將現(xiàn)澆樓板簡單處理為剛